TDLAS檢測系統(tǒng)的激光器驅(qū)動(dòng)電路①

劉松斌 趙 宇 王 威 李晶娜

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.中國石油大慶油田電力職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心)

TDLAS檢測系統(tǒng)的激光器驅(qū)動(dòng)電路①

劉松斌1趙 宇1王 威2李晶娜2

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院；2.中國石油大慶油田電力職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心)

針對(duì)溫度變化對(duì)半導(dǎo)體激光器(LD)的輸出激光波長及其工作穩(wěn)定性的影響，提出運(yùn)用熱電制冷器TEC構(gòu)成二級(jí)制冷系統(tǒng)，分別對(duì)激光器的外部和內(nèi)部溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。采用閉環(huán)PID電路產(chǎn)生控制信號(hào)控制TEC的驅(qū)動(dòng)電流和方向，從而達(dá)到制冷和加熱的目的；為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的濾波，提出采用級(jí)聯(lián)方式的LTC1064構(gòu)成四階濾波系統(tǒng)。測試結(jié)果表明：TEC溫控系統(tǒng)取得了很好的溫控效果，響應(yīng)速度快，精度達(dá)到±0.01℃，濾波系統(tǒng)有效濾除了正弦波中的直流分量和高次諧波的干擾，滿足激光器對(duì)溫度和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求。

激光器 TEC 溫度 濾波 LTC1064

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光檢氣技術(shù)在工業(yè)、科研等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。激光檢氣主要基于半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)，這是一種利用激光器的波長掃描和電流調(diào)諧特性對(duì)氣體進(jìn)行檢測的技術(shù)[1～3]。通過改變激光器發(fā)射激光的波長，使光源掃描過待測氣體的選定吸收躍遷譜線，進(jìn)而檢測被測氣體的濃度。然而，溫度對(duì)LD發(fā)出激光的性能有很大影響，如輸出光功率、波長等，當(dāng)激光器內(nèi)部溫度增加時(shí)，輸出波長也隨之增加，波長隨溫度變化的典型值在0.3～0.4nm/℃[4，5]。因此，保證半導(dǎo)體激光器工作溫度的穩(wěn)定是提高固體激光器性能的重要手段。筆者提出以ARM作為核心控制器，利用DRV592功率放大器驅(qū)動(dòng)TEC形成溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器工作溫度快速、精準(zhǔn)的控制，并且利用LTC1064級(jí)聯(lián)成四階濾波系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行有效濾波。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生電路和溫度閉環(huán)控制電路兩部分。

圖1 激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心處理器是MiniSTM32 V3.0開發(fā)板，它以STM32F103RCT6作為MCU，其資源包括：兩個(gè)基本定時(shí)器、兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3個(gè)SPI、3個(gè)12位ADC及一個(gè)12位DAC等51個(gè)通用IO口[6，7]。該芯片具有低功耗、低成本及高性能等突破性的創(chuàng)新特點(diǎn)，充分滿足本實(shí)驗(yàn)要求。激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由直流偏置、鋸齒波和高頻正弦波構(gòu)成。直流偏置對(duì)準(zhǔn)氣體中心波長，低頻鋸齒波在較大范圍內(nèi)改變激光器的波長，使它在氣體吸收峰附近進(jìn)行掃描，高頻正弦波實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出波長的調(diào)制。二倍頻正弦波幅值信號(hào)與待測氣體濃度成正比關(guān)系。溫度控制部分采用閉環(huán)PID溫控系統(tǒng)，使激光器的溫度穩(wěn)定在25±0.01℃范圍內(nèi)，利用激光器電流調(diào)諧技術(shù)特性改變其輸出波長，使它在氣體吸收峰附近掃描。

2 TEC溫控系統(tǒng)

熱電制冷器TEC是利用半導(dǎo)體材料珀耳帖效應(yīng)制成的。珀耳帖效應(yīng)是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，一端吸熱、一端放熱的現(xiàn)象[8]。當(dāng)有電流從TEC流過時(shí)，電流產(chǎn)生的熱量會(huì)從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生“熱”側(cè)和“冷”側(cè)，這就是TEC的加熱與制冷原理。最終是制冷還是加熱，以及制冷、加熱的功率，由通過它的電流方向和大小決定。由于具有體積小、速度快及控制方便等優(yōu)點(diǎn)，因而TEC非常適合小型設(shè)備的恒溫控制系統(tǒng)[9，10]。

2.1 TEC溫控系統(tǒng)的硬件部分

2.1.1 TEC驅(qū)動(dòng)模塊

采用大功率H橋驅(qū)動(dòng)電路DRV592來驅(qū)動(dòng)TEC，由STM32產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM波輸入到DRV592的IN+和IN-兩個(gè)引腳。在DRV592芯片內(nèi)部配置了4個(gè)MOSFET組成的H橋，通過H橋來控制MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)閉，進(jìn)而控制電流流過珀耳帖器件的方向。通過這種方式實(shí)現(xiàn)TEC制冷和加熱。具體的連接方式如圖2所示。

圖2 DRV592連接電路

2.1.2 高精度溫度采集系統(tǒng)

STM32內(nèi)部的12位ADC轉(zhuǎn)換不能滿足控制要求，為此，采用高精度AD轉(zhuǎn)換芯片AD7793，該芯片是適合高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、帶有3個(gè)差分模擬輸入的24位Σ-Δ型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，最高有效分辨率可達(dá)23位，片內(nèi)有兩個(gè)可編程電流源，有10、210、1 000μA共3種輸出形式[11，12]。

AD7793通過SPI與STM32進(jìn)行通信，如圖3所示，AD7793的1、16、15引腳分別與STM32的SPI1的SCLK(時(shí)鐘信號(hào))、MOSI(主輸出從輸入)、MISO(主輸入從輸出)相連，為了避免高頻信號(hào)的干擾，采用外接1MHz的晶振作為AD7793的CLK。通過軟件配置電流源210μA，因?yàn)锳D7793內(nèi)部集成了低噪聲儀表放大器，所以可以直接以恒流源通過熱敏電阻，在它兩端產(chǎn)生電壓輸入到AIN1引腳，經(jīng)過AD7793模數(shù)轉(zhuǎn)換作為TEC閉環(huán)溫控系統(tǒng)的反饋量。

圖3 AD7793與STM32的硬件連接電路

2.2 TEC溫控系統(tǒng)的軟件部分

電路采用閉環(huán)數(shù)字增量PID算法，PID是一種先行調(diào)解器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成偏差e(t)=r(t)-y(t),對(duì)e(t)構(gòu)成線性組合進(jìn)行控制。閉環(huán)PID溫控系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

傳統(tǒng)的PID控制算法需要對(duì)e(t)進(jìn)行求和，占用較多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，比較麻煩。筆者采用增量式PID算法，使得數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出只是增量，算式中不需要累加，每一次的增量值只與前后兩次的采樣值有關(guān)，容易取得更好的控制效果，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度[13，14]。

離散后的差分方程如下：

圖4 閉環(huán)PID溫控系統(tǒng)框圖

(1)

(2)

兩次采樣之間的增量為：

Δuk=uk-uk-1

(3)

=Aek-Bek-1+Cek-2

其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)。

STM32將采樣溫度與設(shè)置溫度的差值作為輸入變量，然后采用PID控制算法進(jìn)行計(jì)算并產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，控制量經(jīng)由STM32和DRV592功率驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的控制電流驅(qū)動(dòng)TEC，進(jìn)行制冷或加熱；與此同時(shí)，激光器的溫度又通過熱敏電阻反饋到數(shù)據(jù)采樣電路，從而引入反饋量來調(diào)整輸出電流的大小和方向，直到溫度穩(wěn)定到設(shè)定值。

在采樣設(shè)計(jì)過程中采用數(shù)字濾波方法，有效減少了誤差。為防止超調(diào)量過大，損壞激光器，在軟件上采用積分分離式PID，當(dāng)溫度設(shè)定值與實(shí)際值之差大于3℃時(shí)采用PD算法，反之則采用PID算法[15～17]，具體流程如圖5所示。

圖5 軟件流程

3 濾波環(huán)節(jié)

為了實(shí)現(xiàn)更好的驅(qū)動(dòng)效果，筆者提出采用LTC1064濾波器分別對(duì)10kHz和20kHz的正弦波進(jìn)行濾波。LTC1064是一個(gè)低噪聲且諧波失真小的高速開關(guān)電容濾波器，內(nèi)含4個(gè)獨(dú)立、高速、低噪聲的二階開關(guān)電容濾波器結(jié)構(gòu)單元；每個(gè)單元通過外部時(shí)鐘和3～5個(gè)電阻，就可以構(gòu)成低通、高通、帶通及帶阻等不同種類的二階濾波器，且每個(gè)二階濾波器的截止頻率或中心頻率f0取決于外部提供的時(shí)鐘頻率[18]。因此，只要通過改變輸入到LTC1064的時(shí)鐘頻率就可以靈活地改變?yōu)V波器的截止頻率或中心頻率f0。

LTC1064濾波器有主要和次要兩種工作模式，主要工作模式有模式1和模式3，次要工作模式有模式1b、模式2和模式3a。本次設(shè)計(jì)用到了兩種主要工作模式，模式1的原理如圖6所示，模式3的原理如圖7所示。

圖6 LTC1064模式1的原理

圖7 LTC1064模式3的原理

濾波器A、B和C工作在模式1狀態(tài)，濾波器D工作在模式3狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)濾波器B和C級(jí)聯(lián)成四階濾波器，用于對(duì)20kHz的正弦波進(jìn)行濾波；濾波器A和D級(jí)聯(lián)用于對(duì)10kHz正弦波進(jìn)行濾波。LTC1064的具體連接電路如圖8所示。

圖8 LTC1064的連接電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將采樣得到的溫度值通過串口發(fā)送給PC機(jī)，使用圖形化編程環(huán)境LabVIEW編寫上位機(jī)顯示程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，溫度變化范圍在25±0.01℃。通過示波器，對(duì)濾波前后的正弦波進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。偏置信號(hào)、鋸齒波掃描信號(hào)和正弦波調(diào)制信號(hào)的疊加如圖11所示。

5 結(jié)束語

激光器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以STM32為核心控制器，采用熱電制冷器TEC為半導(dǎo)體激光器(LD)制冷或加熱，可以使恒溫系統(tǒng)的波動(dòng)范圍小于±0.01℃。

圖9 溫控曲線

圖10 濾波前后對(duì)比

圖11 偏置鋸齒正弦疊加

設(shè)計(jì)的LTC1064級(jí)聯(lián)為四階濾波系統(tǒng)，有效濾除驅(qū)動(dòng)信號(hào)的干擾。本設(shè)計(jì)從溫度控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)濾波兩方面為激光器提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該系統(tǒng)可根據(jù)不同的工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)不同的恒溫控制目標(biāo)，工作穩(wěn)定且可靠性高，具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

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LaserDriverCircuitforTDLASDetectionSystem

LIU Song-bin1, ZHAO Yu1, WANG Wei2, LI Jing-na2

(1.CollegeofElectricalEngineeringandInformation; 2.TrainingCenterforElectricPowerVocationalTechnology,CNPCDaqingOilfield)

Considering the temperature variation’s effect on both laser wavelength and working stability of the semiconductor laser (LD), applying thermoelectric cooler(TEC) to constitute a secondary refrigerating system was proposed to control both external and internal temperatures of the laser respectively and precisely. Through adopting closed-loop PID circuit to produce a signal to control TEC’s drive current and direction, both refrigerating and heating operation can be realized; in order to filter the drive signals, adopting cascaded LTC1064 to constitute a four-order filtering system was put forward. Test result shows that, the TEC temperature control system has good control effect, fast response and± 0.01 ℃ precision and the filtering system can effectively eradicate DC component’s interference from the sine wave and that from the higher harmonic to satisfy laser’s requirements for both temperature and driving signals.

laser, TEC, temperature, filter, LTC1064

劉松斌(1970-)，副教授，從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究。

TH811

A

1000-3932(2017)03-0279-06

聯(lián)系人趙宇(1992-)，碩士研究生，從事電力電子與電力傳動(dòng)的研究，1045090829@qq.com。

2016-03-14，

2016-09-14)